(57)【要約】【課題】  先行技術による１×N光スイッチよりも少ない光損失で制御がより簡易なより少ない構成要素を有する全光１×N光スイッチの提供。【解決手段】  本発明の光スイッチは、電気光学物質から形成される能動偏向素子を含み、Ｎ個の出力のうちの選択した１出力に、単一の入力からの光入力を偏向させる。本発明の一実施例では、入力での単一の能動偏向素子は、Ｎ個の出力に共通に接続する導波路に亘り光信号を偏向させる。Ｎ個の出力は、信号を受け、それを選択した光出力に供給するため、偏向された光信号に適合された能動光学素子を含む。光スイッチは、光学的材料が全て電気光学物質であるモノリシックスイッチ、若しくは、光スイッチが形成される基板に、共通の導波路のような別々に形成される構成要素を接着するハイブリッドスイッチであることができる。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
光信号を受ける単一の光入力と、
電気光学材料と、該電気光学材料の両側に少なくとも1対の電極とを含み、複数の方向のうちの選択した１方向に光信号を方向付ける、制御システムに応答する能動偏向素子と、
複数の方向のうちの選択した１方向に偏向された光信号を受ける共通の導波路と、
前記複数の方向のうちの１方向にそれぞれ対応する各光出力が、前記複数の方向のうちの１方向に偏向され且つ前記共通の導波路を通って伝播される光信号を受ける受動光学素子を含む複数の光出力と、を含み、
前記複数の方向のうちの選択した１方向への前記光信号の偏向が、前記複数の光出力の対応する１光出力への該光信号のスイッチングをもたらすことを特徴とする、光スイッチ。
【請求項２】
前記複数の光出力は、3つ以上の光出力である、請求項１に記載の光スイッチ。
【請求項３】
前記少なくとも1対の電極の各電極は、類似した形状であり、前記光信号の光路は、該少なくとも1対の電極の各電極間を通る、請求項１に記載の光スイッチ。
【請求項４】
前記少なくとも1対の電極は、1対又は2対の電極である、請求項３に記載の光スイッチ。
【請求項５】
前記電気光学材料は、PZT、LZT又はLNである、請求項１に記載の光スイッチ。
【請求項６】
前記共通の導波路は、前記複数の光出力のうちの1光出力の近傍にあり且つ前記複数の方向の各1方向に直角な小面を複数持つ多面を有する、請求項１に記載の光スイッチ。
【請求項７】
前記共通の導波路は、複数の導波路方向の対応する1方向に前記偏向した光信号を伝播するものであり、
前記共通の導波路は、前記光信号が該共通の導波路を出るときに大きく屈折されないように、前記複数の光出力の近傍に、前記複数の導波路方向に略直角な1つの導波路出力を有する、請求項１に記載の光スイッチ。
【請求項８】
前記受動光学素子のそれぞれは、レンズと出力導波路を含み、該受動光学素子は、前記出力導波路の入力及び導波路出力に対して直角な光軸を有する、請求項１に記載の光スイッチ。
【請求項９】
当該光スイッチは、
前記単一の光入力、前記共通の導波路及び前記複数の光出力を通る前記光信号の光路が通る材料が、前記能動偏向素子の電気光学材料を含むモノリシックスイッチであるか、若しくは、
前記単一の光入力、前記共通の導波路及び前記複数の光出力を通る前記光信号の光路が通る材料が、前記能動偏向素子の電気光学材料と異なるハイブリッドスイッチである、請求項１に記載の光スイッチ。
【請求項１０】
入力ファイバからの光信号を、複数の出力ファイバのうちの選択した１出力ファイバにスイッチングする光スイッチモジュールであって、
入力ファイバから光信号を受ける単一の光入力と、
前記複数の出力ファイバのうちの１出力ファイバにそれぞれ光学的に接続される複数の出力のうちの選択した１出力に、前記光信号を方向付ける光学素子とを備え、
前記光学素子が、
前記光信号を平行化するコリメーティング素子と、
電気光学材料と、該電気光学材料の両側に少なくとも1対の電極とを含み、前記並行化された光信号を受け、該光信号を、前記複数の出力のうちの１出力に対応する複数の方向のうちの１方向に偏向する、制御システムに応答する能動偏向素子と、
前記能動偏向素子により偏向された前記光信号を受ける導波路入力と、導波路出力とを有する共通の導波路と、
前記複数の出力のうちの選択した１出力へと前記共通の導波路からの光信号を合焦する受動光学素子を前記複数の出力に含む合焦素子と、を含む、
光スイッチモジュール。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、光通信ネットワーク用光スイッチに関する。特に、本発明は、光スイッチング性能が改善されたネットワーク用の１×N光スイッチ及び１×N光スイッチングモジュールに向けられる。
【背景技術】
【０００２】
声及びデータ通信のための光ネットワークの成長は、高データレート情報伝送能力に対する要請を生み出してきた。かかる伝送能力を可能とするため、高密度波長分割多重（DWDM）技術が発展し、これは、単一の光ファイバ上で多波長の光ビームの伝送を可能とし、100Gb/sまでのデータ伝送レートを可能とする。高速スイッチング及びルーティングデバイスは、光ネットワークの中心的要素であり、光ネットワーク上でのデータトラベリングの動的制御を可能とする。データ伝送高速化はスイッチングデバイスに関する重要な要請を課する。
【０００３】
光スイッチングデバイスは、信号を分配するネットワーク内で共通に用いられる。例えば、N−ｂｙ−Nの光スイッチは、Ｎ個の多さの入力信号を同じＮ個の入力ファイバで受け、出力の進路を変え、これにより、Ｍ個の出力ファイバ間で、信号のスイッチングをする。特に有用な光スイッチは、１−ｂｙ−Ｎスイッチ（若しくは“１×N光スイッチ”）であり、これは、1つの入力ファイバで単一の信号を受け、当該信号をＮ個の出力ファイバの１つにスイッチングするものである。１×N光スイッチは、例えば、接続の喪失に起因したネットワークの再構築、及び監視・供給のために用いられ、高い品質の接続を保証する。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
光スイッチの使用が光ネットワークを高速で高い信頼性のものとする一方、コスト効率がよく信頼できる光スイッチを生産することが困難であることが証明されている。特定の光出力に光入力をスイッチングするための異なるスキームを含めて、多くのタイプの光スイッチが提案されている。光スイッチは、電気的な光スイッチ及び機械的な光スイッチを含む。電気的光スイッチは、信号を含む光（光信号）を電気信号に変換し、電気信号を再ルーティングし、次いで、光信号に電気信号を変換し戻す。機械的光スイッチは、可動ミラーを用いて光信号を直接スイッチングする。これら双方のタイプの光スイッチは、その有用性を制限する問題点を有する。電気的光スイッチは、スイッチを高価で低速にする変換ステップを伴う。機械的光スイッチは、多数の小型可動ミラーに起因した信頼性の問題、及び、ミラーの物理的な移動により制限されるスイッチング回数を含めて、高速システムでの使用を制限する更なる問題点を有する。
【０００５】
その他のタイプの光スイッチは、可動部品を一切有さず、また、スイッチングのために光信号をその他の形式に変換するのを伴わない全光スイッチ（all-optical  switch）である。全光スイッチでは、光信号は、変質できる光特性を持つ光材料内に向けられる。
【０００６】
全光スイッチの1つのタイプは、共通の導波路により分離される複数の出力及び複数の入力を有する。例えば、ここで参照により本明細書の開示に組み込まれ、本願と共通の出願人が譲渡を受けている米国特許第6,504,966号参照。スイッチングは、共通の導波路を通って入力光ビームの何れか1つを所望の出力にルーティングすることにより実現される。各スイッチングされた信号は、入力にて、入力ファイバから出力に入力が向けられるように偏向され、出力にて、出力ファイバに出力が向けられるように偏向される。かかるデバイスは、多数の入力及び出力間でスイッチングを提供する一方、他の１×N光スイッチよりも大きな光損失を生む構成である。
【０００７】
その他の全光１×N光スイッチは、多数の1×２全光スイッチから、単一の入力及び複数の出力を持つスイッチを形成するように組み立てられ、１×N光スイッチから1×２光スイッチを形成する。このタイプの光スイッチは、幾つかの問題点を有する。先ず、光スイッチを通る各通路をもつ光信号の挿入損失がある。光信号が通過しなければならない多数のスイッチがNと共に増加するので、損失もNと共に増加する。第２に、各N-1個のスイッチは、所与の電力要求を持ち、他のスイッチと一緒になって制御される必要がある。従って、このタイプのスイッチは、電気的な問題と制御問題を抱える。
【０００８】
それ故に、先行技術の光スイッチの問題点を克服し、現在の光スイッチよりも、高速で、信頼性が高く、構成が安価で、低い挿入損失を持つ光通信システム用１×N全光スイッチを有することは望ましいことだろう。また、スイッチを頑丈且つコンパクトにすることも望ましい。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明は、電気光学ないしEO効果を用いた偏光デバイス内での偏光に基づく１×N光スイッチ及びスイッチモジュールを提供する。これら偏向デバイスは、非常に速く、例えばチャンネル数が数千を越える、多数の入力及び出力チャンネルを扱う光スイッチングモジュールで使用できる。本発明の偏向素子は、入射光に対して平面又は曲面の表面を提供するプリズムのような１つ以上の光学的偏向素子として機能し、個々のプリズムに印加される電圧に応じて制御可能な偏向角度を有する。本発明の一実施例は、入力で光偏向素子、偏向した光を伝播するための共通の導波路、及び、偏向した光を受けるようにそれぞれ配列されたN個の出力チャンネルを有する１×N光スイッチを提供する。本発明の代替実施例は、各出力チャンネルに対してそれぞれ1つずつ、計N個の第２光偏向素子を含む。本発明のスイッチは、先行技術に比べて、より少ない光偏向素子で、より大きな角度に亘り光を偏向できる。
【００１０】
本発明の一局面は、光信号を受ける単一の光入力と、複数の方向のうちの選択した１つに光信号を偏向する制御システムに応答する能動偏向素子とを含む光スイッチを提供する。偏向素子は、電気光学材料と、該電気光学材料の反対側に少なくとも1対の電極とを含む。光スイッチは、更に、複数の方向のうちの１方向に偏向された光信号を受ける共通の導波路と、複数の光出力とを含む。複数の光出力のそれぞれは、複数の方向の1方向に対応し、複数の光出力のそれぞれは、複数の方向のうちの１方向に偏向され且つ前記共通の導波路を通って伝播される光信号を受ける受動光学素子を含む。複数の方向のうちの選択した1方向への光信号の偏向は、複数の光出力の対応する1光出力への光信号のスイッチングを提供する。一実施例では、光スイッチは、モノリシックスイッチであり、この場合、単一の光入力、前記共通の導波路及び前記複数の光出力を通る前記光信号の光路が通る材料は、前記能動偏向素子の電気光学材料を含む。その他の実施例では、光スイッチは、ハイブリッドスイッチであり、この場合、単一の光入力、前記共通の導波路及び前記複数の光出力を通る前記光信号の光路が通る材料は、前記能動偏向素子の電気光学材料と異なる。
【００１１】
本発明のその他の局面は、複数の出力ファイバのうちの選択した１出力ファイバに、入力ファイバからの光信号を方向付ける光スイッチモジュールを提供する。光スイッチモジュールは、入力ファイバから光信号を受ける単一の光入力と、複数の出力ファイバのうちの選択した１出力ファイバに光信号を方向付ける光学素子とを含む。光学素子は、光信号を平行化するコリメーティング素子と、平行化された光信号を受け，制御システムに応答して、複数の出力のうちの選択した１出力に対応する複数の方向のうちの１方向に、光信号を偏向する能動偏向素子とを含む。能動偏向素子は、電気光学材料と、該電気光学材料の両側に少なくとも1対の電極とを含む。光学素子は、更に、能動偏向素子により偏向された前記光信号を受ける導波路入力及び導波路出力を有する共通の導波路を含み、また、前記複数の出力ファイバのうちの選択した１出力へと前記共通の導波路からの光信号を合焦する受動光学素子を含む合焦素子を、前記複数の出力に含む。一実施例では、光スイッチは、モノリシックスイッチであり、この場合、単一の光入力、前記共通の導波路及び前記複数の光出力を通る前記光信号の光路が通る材料は、前記能動偏向素子の電気光学材料を含む。その他の実施例では、光スイッチは、ハイブリッドスイッチであり、この場合、単一の光入力、前記共通の導波路及び前記複数の光出力を通る前記光信号の光路が通る材料は、前記能動偏向素子の電気光学材料と異なる。
【００１２】
これらの特徴は、以下の詳細な説明で当業者に明らかになる多様な補助的特徴と共に、あくまで例として添付図面を参照して示される本発明の１×N光スイッチングデバイス、その好ましい実施例により達成される。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１３】
本発明の上記局面及び付随的な効果は、添付図面と関連させて次の詳細な説明を参照することにより、より明らかになるだろう。各図面において参照記号はそこに示されるある構成要素、局面若しくは特徴を指すために用いられており、一以上の図面で共通な参照符号は、そこに示される構成要素、局面若しくは特徴が同類のものをさす。
【００１４】
一般的に、本発明は、一の光信号が複数の光出力のうちの選択した1光出力にスイッチングされる光スイッチを提供するものである。本発明の光スイッチは、“全光”スイッチであり、すなわち、動く部品を用いることなく、スイッチングのために光信号を電気信号のような他の形式に変換することなく、光信号を含む光ビームを分配又は転送することでスイッチングが生ずるスイッチである。本発明の光スイッチは、光信号の光を受け、光ファイバに光を供給する光コネクタを有するスイッチングモジュールに組み込むことができ、複数の出力のうちの1出力に偏向するためにEO誘起の屈折率変化を用いる一以上の光偏向素子を含む。本発明の光スイッチは、部品を動かすことなく、光信号を電子信号に変換することなく、光信号のスイッチングを可能とする。
【００１５】
以下、図面と関連した説明を参照するに、I/Oチャンネル間での光信号の高速で、高密且つコンパクトなスイッチングに特に適した光スイッチング装置が図示・説明される。図１は、本発明の１×N光スイッチングモジュール１００の一般的な実施例を示す概略図である。モジュール１００は、入口側導波路部１０１、コリメート部１０３、光偏向部１０５、共通の導波路１０７、合焦部１０９及び出口側導波路部１１１を有する。入口側導波路部１０１は、光信号を受ける1つの光入力Iを有し、出口側導波路部１１１は、O(1),O(2),…,O(N)で示され、それぞれはO(n)として指示されるN個の出力を有し、この出力に対して、入力Iに与えられる光信号が方向付けられる。入口側導波路部１０１は、代替的に単一の入力ファイバに結合され、出口側導波路部１１１の各出力O(n)は、N個の出力ファイバのうちの対応する１つに代替的に結合される。モジュール１００は、また、次に説明するようにモジュール内に光偏向を制御するための電気信号をリード線１１３で供給する制御システム１１０を含む。
【００１６】
一実施例では、入口側導波路部１０１、コリメート部１０３、光偏向部１０５、共通の導波路１０７、合焦部１０９及び出口側導波路部１１１は、基板上に一体的に形成される（“一体型光スイッチ”）。一の代替実施例では、いつかの部分又は導波路101,103,105,109又は１０９は、基板上に一体的に形成され、残りの部分は、別に形成され、その後、他の部分と結合される（“ハイブリッド光スイッチ”）。
【００１７】
入口側導波路部１０１は、光入力Ｉに付与される光信号が伝播する際に通過する光導波路(コア)１０１ａ、及び、屈折率の違いにより光導波路１０１ａ内に信号を閉じ込めるための光導波路１０１ａを覆う被覆（クラッド）層１０１ｂからなる。
【００１８】
コリメート部１０３は、光導波路１０１ａに光学的に接続されるレンズ１０３ａを含み、レンズ１０３ａは、光信号を受け、光ビームを平行化して合焦部１０９への伝播時のビームの拡散を低減する。レンズ１０３ａは、好ましくは、光導波路１０１ａから該導波路から離れる方向に拡散して来る光を受け、当該光を、実質的に平行化されたビームでレンズから出てくるように方向付ける２次元レンズである。
【００１９】
光偏向部１０５は、レンズ１０３ａから僅かに離れており、レンズ１０３ａからのビームを受ける光偏向素子１０５ａを含む。好ましくは、光偏向素子１０５ａは、ポッケルス効果のような電気光学効果を利用することにより、通過する光の伝播方向を制御可能に変化させる。光偏向部１０５は、光偏向素子１０５ａを制御する電線１１３を含む。光偏向部１０５の詳細な説明は、後に続く。
【００２０】
共通の光導波路１０７は、合焦部１０９に光偏向部１０５からの光を伝達するスラブ導波路からなる。特に、光導波路１０７は、モジュール１００の入力と、光偏向部１０５での光の偏向に応じて複数の出力のうちの何れか１出力との間での光通信を可能とする。
【００２１】
合焦部１０９及び出口側導波路部１１１は、Ｎ個の出力のそれぞれに対応する構成要素を有する。具体的には、合焦部１０９は、Ｎ個のレンズ１０９ａを含み、出口側導波路部１１１は、Ｎ個の出力Ｏ（ｎ）の１つに出力をそれぞれ与えるＮ個の対応する導波路１１１ａを含む。共通の導波路１０７は、光偏向部１０５からレンズ１０９ａのいずれか１つへの光通信を提供する。各レンズ１０９ａは、好ましくは、レンズ１０３ａにより平行化され光偏向部１０５により分流された光を受けることができるレンズ１０３ａに類する２次元レンズであり、対応する導波路１１１ａに光を合焦する。
【００２２】
モジュール１００は、能動及び受動光学素子を含む。従って、例えば、上述の導波路及びレンズは、それらを通る光ビームを改変する目的でその構成や光学的特性においてアクティブな変化が無い点で受動的である。本発明の光偏向素子、例えば光偏向素子１０５ａは、当該素子に印加される信号に応じて光ビームを偏向する能動素子である。例えば、光偏向素子１０５ａは、ＥＯ材料から形成でき、ＥＯ材料の屈折率の改変により、光ビームを偏向するために制御可能に活性化されることができる。光スイッチに対するＥＯ材料の使用は、知られており、例えばKatoの特許に開示されている。EO材料の所望の特性は、高EO係数、低光損失、熱及び機械的な安定性を含む。一の好ましいEO材料は、ポリメチルメタクリレート（PMMA）及び発色団の混合物のような、EOポリマーを含む有機材料である。EOポリマーは、Yoshimura他による同出願人に譲渡された米国特許第５，４４４，８１１号（“Yoshimura特許”）に開示されており、その開示内容は、ここでの参照により本明細書の開示とする。ＥＯ材料は、AlXGa1-XAs／AlyGa1-yAsのような、模範的なIII-V成分から作られる複合量子井戸デバイス及び量子ドットを含んでよい。代替的なEO材料は、遷移金属(例えばＴｉ)が拡散されたLiNbO３（ニオブ酸リチウム、以下、“LN”という）を含み、PbZrXTiyO３（ジルコン酸チタン酸鉛）、以下、“PZT”という、または、ランタン改質PZT、以下、“PLZT”という、らが用いられてもよい。
【００２３】
光偏向素子１０５ａの部分でない光スイッチモジュール１００の部分、例えば各部及び導波路１０１，１０３，１０７，１０９または１１１は、EO材料の如何なる組み合わせから形成されるか、若しくは、光学的に透明な材料から形成される。好ましい光学的に透明な材料の例は、これらに制限されないが、ポリイミドのような、高い透明度で高い耐熱性の弗化ポリマーを含み、水晶ないしガラスでもよい。有機及び／又は無機ハイブリッド材が使用されてもよい。同一のEO材料からの全ての透明な構成要素の形成は、製造の容易という利点を有する一方で、異なる材料からの構成要素の形成は、導波路の光学的特性をあつらえる際に有利な広範な材料を可能とする。
【００２４】
ポリマー系の膜を形成する適切な方法は、スピンコーティング、ディップコーティング、スプレイコーティング、若しくは、真空蒸着重合やCVDのような気相成長法を含む。ガラスシステムに対しては、スパッタリング、蒸着、CVD又はその類が採用されてよく、ゾルゲル方が使用されるとき、スピンコーティングやディップコーティングが採用されてよい。光導波路は、下側の被覆層、コア層及び上側の被覆層の堆積により形成されてもよく、この場合、コア層の屈折率（RI）は、被覆層のRIよりも高く設定される。
【００２５】
本発明の光導波路は、先行技術からも知られるように、光学的に透明な材料の“サンドイッチ”構造で形成され、この場合、導波路コアを形成する一の屈折率の材料が、導波路の被覆層を形成する他の屈折率の材料により囲繞される。本発明の光スイッチでの使用に適した特性を持つ材料の選択は、例えば、Kato及びYoshimuraの特許に開示されている。本発明のコア及び被覆の好ましい厚さ及び屈折率は、本分野で広く知られた技術により伝播する光の波長に応じて決定される。好ましくは、光学的材料の屈折率は、約1.5から約1.6の範囲であり、コアは、被覆よりも高いか低い屈折率を有する。本発明の一実施例では、コアは、被覆よりも高い屈折率を有し、例えばコアは、約1.52の屈折率を有し、被覆は、約1.50の屈折率を有する。電気光学材料により形成されるコアの屈折率は、電気光学定数及び材料への印加電圧勾配に応じて変化し、例えば、Katoの特許に開示されるように、±0.034まで変化することができる。
【００２６】
これより、特別な数の出力を有する本発明の幾つかの実施例を説明する。本発明は、従って、ここで示すような実施例により限定されず、任意の数の出力に一般化できる。好ましくは、出力の数は2より大きい。明らかながら、出力の最大数は、製造技術、利用可能なスペース、生産の歩留まり及びその類により制限されることになる。図2及び図３は、本発明の１×N光スイッチの第1実施例を、1×３光スイッチモジュール２００（即ちN=3）として示し、図２は、上面視であり、図3は、図２の３−３視である。光スイッチモジュール200は、光スイッチモジュールの製造のために必要とされるようなシリコン基板若しくはガラス板、印刷回路基板等のようなその他の適切な基板である基板１０上に形成若しくは組み立てられる一体型光スイッチである。各要素１０１，１０３，１０５，１０７，１０９，１１１は、導波路コアを形成する中央部、基板１０上の下側被覆層３０１、及び、上側被覆層３０３を含む。具体的には、下側被覆層３０１は、表面305を有し、上側被覆層３０３は、光を伝達するモジュール２００の部分を境界付ける表面３０７を有し、要素１０１，１０３，１０５，１０７，１０９，１１１の屈折率は、光が表面３０５と３０７間の容積に閉じ込められるように、被覆層３０１，３０３の屈折率とは異なる。
【００２７】
光スイッチモジュール２００の詳細を、図2及び図３、並びに、表面３０５、３０７間にある入口側導波路部１０１、コリメート部１０３、光偏向部１０５及び光導波路１０７の部分の斜視図である図４、を参照して説明する。
【００２８】
入口側導波路部１０１は、入力Iに与えられた光信号が伝播する際に通る光導波路（コア）１０１ａ、被覆層１０１ｂ、及び被覆層３０１，３０３からなる。同様に、出口側導波路部１１１は、入力Iに与えられ出力に向かって偏向された光信号が伝播する際に通る光導波路（コア）１１１ａ、被覆層１１１ｂ、及び被覆層３０１，３０３からなる。
【００２９】
コリメート部１０３は、平行化ビームＩ’として光入力Ｉで受けた光信号を平行化するため、導波路１０１ａに相対して位置する一以上のレンズ１０３ａを含む。好ましくは、レンズ１０３ａは、２次元レンズであり、導波路１０１ａを通る光の伝播方向は、コリメート部１０３から出てくる光の伝播方向と同一である。レンズ１０３ａは、異なる屈折率を持つ２つの２次元素子２０１，２０３を含む。部位２０１は、高い屈折率を有し、凸レンズ部を形成するように湾曲され、光導波路（コア）１０１ａと同一の材料から形成される。部位２０３は、部位２０１よりも低い屈折率を有し、部位２０１，２０３間での屈折率の差により光を平行化するように成形・配置される。部位２０３は、好ましくは、固体材料であるが、代替的には気体若しくは液体である。代替的には、光を平行化する他の構成も、単一のレンズや他のレンズとの組み合わせを含めて、本発明の範囲内である。
【００３０】
光偏向部１０５は、電線１１３に取り付けられる下部電極２０７及び上部電極２０８及び被覆層３０１，３０２を備えるスラブ導波路３００から形成された光偏向素子１０５ａを含む。特に、下部電極２０７は、電気光学効果を呈する材料により形成される導波路の底部上に配置され、導波路３００の上部上の電極２０８に対向し、１つのプリズムペア２０５ｐを画成する対応する形状を持つ。図３及び図４に示すように、下部電極２０７は、２つの部位、即ち、プリズムペア２０５ｐの底部上に、第１の下部電極部４０１Ｌ及び第２の下部電極部４０３Ｌを有し、上部電極２０８は、２つの部位、即ち、プリズムペア２０５ｐの上部上に、第１の上部電極部４０１Ｕ及び第２の上部電極部４０３Ｕを有する。下側と上側の電極部４０１Ｌと４０１Ｕの間の導波路３００の部分は、第１のプリズム４０１を形成し、下側と上側の電極部４０３Ｌと４０３Ｕの間の導波路部は、第２のプリズム４０３を形成する。電極４０１Ｕ、４０１Ｌ、４０３Ｕ及び４０３Ｌは、好ましくは、三角形にされ、近接して離間される互いに対向する側部を有するように配置されるプリズム４０１及び４０３を形成する。代替実施例では、電極４０１Ｕ、４０１Ｌ、４０３Ｕ及び４０３Ｌは、湾曲した形状を有し、ここで参照により本明細書に組み込まれる同出願人による２００２年４月２４日に出願された米国特許出願１０／１３１，９１９の記載のように、合焦を提供する。
【００３１】
本発明の一局面によると、上部及び下部電極の対（４０１Ｌ、４０１Ｕ及び４０３Ｌ、４０３Ｕ）は、導波路上に沿って互いに僅かに離間され、次に説明するように異なる電極への異なる電圧の印加を可能とする。電極２０７，２０８の材料は、バルク若しくは薄い膜材料であってよく、スイッチング素子を形成する電極は、プリズム、格子、プリズム及び格子の種々の組み合わせ及びアレイ等のような種々の形状を画成するように作成されてよい。従って、代替実施例では、他のタイプの三角形や他の多角形のような、正三角形以外の電極形状が用いられてよい。更に、電極の側部は、通過する光線の多様な曲げや合焦を生成するように湾曲されてもよい。
【００３２】
制御可能な電圧源（図示せず）は、電線１１３を介して電極２０７に制御システム１１０から接続され、電気光学物質を活性化させる。電極に電気的な電位を付与するのに適切な制御可能な源は、当業者にとって周知であり、これ以上詳細に説明する必要が無い。電圧差ΔＶが、電極２０７，２０８間に付与されるとき、導波路３００の厚さを通って（図２の面内に）延在する電場が電極間に確立される。主に導波路３００の厚さ及び電気光学係数及び印加された電圧差に起因して、導波路３００の屈折率は、印加電圧差ゼロのときの値ｎ０から、電極により画成されるプリズム状容積内で値ｎ０±Δｎまで改変される。通電された偏向素子の対応する電極エッジは、導波路を通過する光に屈折率の略階段状変化である。光偏向素子１０５ａ両端の電極に対する電圧差の印加の結果として、屈折率変化が確立され、それに応じて光が偏向される。
【００３３】
図５及び図６は、光偏向部１０５による光の偏向を示す概略的な斜視図である。図５及び図６では、白抜きの矢印は、スラブ導波路３００の結晶軸の方向を指し、黒矢印Ｅは、電場の方向を示す。図５に示すように、第１の下部電極部４０１Ｌがグランドライン（Ｇ）に接続され、制御電圧（＋Ｖ）が第１の上部電極部４０１Ｕに印加された場合、第１の上側と下側の電極部４０１Ｌ、４０１Ｕ間のスラブ導波路３００の屈折率は、ｎからｎ＋Δｎまで変化する。ポッケルス効果による電気光学物質の屈折率の変化Δｎは、Δｎ＝−ｒｎ３Ｅ／２で与えられ、ここでｒは導波路３００の電気光学係数、ｎは導波路３００の屈折率、そしてＥはプリズム４０１，４０３の電極に印加される電圧により誘起される電場強度である。プリズム４０１，４０３の形状及び屈折率の変化は、光信号の伝播方向を左方向に角度θだけ偏向させる。対照的に、図６に示すように、第２の上部電極部４０３Ｕがグランドライン（Ｇ）に接続され、制御電圧（＋Ｖ）が第２の下部電極部４０３Ｌに印加された場合、第２の下側と上側の電極部４０３Ｌ、４０３Ｕ間のスラブ導波路３００の屈折率は、ｎからｎ−Δｎまで変化する。従って、光信号の伝播方向は、更に左方向に角度θだけ偏向される。制御電圧が印加される電極（第１の上部電極及び第２の下部電極）を以下、制御電極という。従って、第１実施例では、光は、１つのプリズムペアを用いて２θだけ偏向させることができる。複数のプリズムペア（例えばｍ個のプリズムペア）の並列配置は、ｍ×２θ偏向させる。
【００３４】
図２及び図３を再度参照するに、光偏向部１０５は、ビームＩ’を受け、ビームＡ，Ｂ，Ｃの方向によりそれぞれ指示されるように出力Ｏ（１），Ｏ（２），Ｏ（３）の１つに、ビームＩ’を方向付ける。具体的には、ビームＩ’は、電極２０７に印加される電圧に応じてビームＡ又はＣに方向付けられることができ、又は、電圧が電極にかかっていない場合にはビームＢに方向付けられることができる。光導波路１０７は、合焦部１０９近傍の出力フェース２１３まで、光偏向部１０５近傍の入力フェース２１１から延在し、コア層３０２及び被覆層３０１，３０３を含む。フェース２１３は、好ましくは、モジュール２００を通過する光にどこでも直角である。従って、フェース２１３は、ビームＡ，Ｂ，Ｃの伝播方向にそれぞれ直角なフェース２１３（１），２１３（２），２１３（３）を含む。
【００３５】
合焦部１０９は、コリメート部１０３に光学的に類似し、レンズ１０９ａ（１），１０９ａ（２），１０９ａ（３）で指示されるＮ＝３のレンズ１０９ａを含み、これらレンズ１０９ａは、平行化されたビームＩ’を受け、当該光を導波路１１１ａ上へと合焦する。レンズ１０９ａは、２つの２次元要素２１５，２１７を含む。要素２１５，２１７は、コリメート部１０３の要素２０３，２０１から光学的に反転され、合焦部１０９を通過する光を合焦する機能をする。具体的には、部位２１７は、部位２１５よりも高い屈折率を持ち、導波路１１１ａと同一材料により形成される。代替的に、光を平行化する他の光学的な構成は、単一のレンズ若しくは他のレンズの組み合わせを含めて、本発明の範囲内である。各レンズ１０９ａは、上述の如く、フェース２１３の近傍部位に向けて偏向され且つ出口側導波路部１１１上に合焦される光を受けることができる。レンズ１０９ａは、好ましくは、レンズの光軸に沿ってビームＡ，Ｂ，Ｃを受けるように角度配置され、従って、互いに対して角度をなす。導波路部１１１の個々の導波路１１１ａは、対応するレンズ１０９ａからの光を受けるように角度配置され、平行な出力Ｏ（ｎ）のアレイを生成する。
【００３６】
光入力Ｉは、従って、コア１０１ａ内に光信号Ｉを受け、要素２０１，２０３が、光信号Ｉを平行化して平行光ビームＩ’を生成する。光偏向部１０５は、次いで、光偏向部１０５で付与された偏向に応じてビームＡ，Ｂ，Ｃのうちの１つとして導波路１０７を伝播する３つの出力のうちの１出力に光信号の伝播方向を分配する。ビームＡ，Ｂ，Ｃのそれぞれは良好に定義された伝播方向を持つので、合焦部１０９よりも更に下流側の光学素子は、偏向素子の更なる使用無しに光が収集できるように、固定位置に方向付けて配置することができる。特に、フェース２１３、レンズ１０９ａ及び導波路１１１ａは、ビームに対して整合され、それらに出力Ｏ（ｎ）を提供する。特に、フェース２１３（１），２１３（２），２１３（３）は、３つのビームＡ，Ｂ，Ｃの対応する１ビームを受け止めるように配置及び角度設定され、導波路１０７でのビーム伝播方向に対して直角であり、各合焦部位１０９ａは、出力Ｏ（ｎ）の１つに向けて偏向されたビームを受け、当該ビームを対応する導波路１１１ａの端部上に合焦ずる。従って、制御電圧の印加は、出力Ｏ（ｎ）の対応する１出力を通ってモジュール１００から出て行くことになるビームＡ，ビームＢ又はビームＣの方向に、光入力Ｉに付与された光信号を偏向させる。
【００３７】
図２及び図３の光スイッチモジュールを製造する方法の一例を、図２及び図３、並びに、入口側導波路部１０１、コリメータ部１０３の一部、光偏向部１０５及び導波路１０７の一部を示す図９Ａないし図９Ｆを参照して説明する。本発明の光スイッチモジュールは、本分野で広く知られている処理ステップを用いて製造できる。例えば、Ｋａｔｏの特許及びYoshimuraの特許を参照。続く例では、光学的な層の厚さは、本分野で知られているように、導波路を提供するように選択され、金属層の厚さは、光信号をスイッチングするための印加電圧を高速に変化させるのに必要な電気特性を有するように選択される。
【００３８】
先ず、図９A及び図３に示すように、Au（金）膜がシリコン基板１０上にスパッタリングにより形成され、次いで、光偏向素子１０５ａの第１及び第２の下部電極部４０１Ｌ，４０３Ｌを含む下部電極２０７を形成するためにパターンが形成される。次いで、図９Ｂに示すように、下側被覆層３０１が、基板１０及び下部電極２０７の上部に形成される。層３０１は、所望の屈折率を有する光学的物質であり、エポキシ樹脂から形成できる。
【００３９】
次いで、図９Ｃに示すように、電気光学薄膜３００、例えば有機非線形光学物質が、下側被覆層３０１上に形成され、導波路の光偏向部１０５として機能する。図９Ｄに示すように、下側被覆層３０１よりも高い屈折率を持つ樹脂膜が、次に堆積され、光導波路１０１ａ，１１１ａ、光導波路３０２及び２次元要素２０１，２１７を形成するようにパターニングされる。導波路の製造は、図９Ｅに示すように、下側被覆層３０１と同一の樹脂を用いて、コリメート部１０３と合焦部１０９における屈折率の高い樹脂の隙間（図３の部位２０３，２１５）を被覆すると共に、チャンネル導波路１０１ａ，１１１ａの側部をも側部被覆１０１ｂ、１１１ｂとして被覆する上側被覆層３０３を形成することにより完了する。
【００４０】
最後に、図９Ｆ及び図２に示すように、上部電極２０８が、上側被覆層３０３上に形成される。第１の上部電極部４０１Ｕは、第２の下部電極部４０３Ｌと同一の信号線に接続され、第２の上部電極部４０３Ｕは、第１の下部電極部４０１Ｌと共通にグランドに接続される。
【００４１】
次に、Ｎ＝３に対する本発明の１×N光スイッチングモジュール（１×３光スイッチ）の第２実施例７００の概略的な上面を示す図７を参照して、代替的な実施例のスイッチを説明する。モジュール７００は、第１実施例の入口側導波路部１０１及びコリメート部１０３、及び、入力側７１１から出力側７１３まで延在するＥＯ材料の導波路７０１を含み、第１の光偏向部１０５、導波路１０７及び第２の光偏向部７０３を含む。モジュール７００は、また、レンズ１０９ａを有する合焦部１０９及び出口側導波路部１１１を含む。以下で述べるように、光偏向部１０５及び７０３の偏向は、ビームＩ’に平行な出力Ｏ（ｎ）を提供するように制御システム１１０により調和される。第１実施例と同様、各部位及び導波路１０１，１０３，１０５，１０７，１０９，１１１は、導波路コアを形成する中央部及び基板１０上の下側層３０１、及び、導波路の被覆層を共に形成する上側層３０３を含む。
【００４２】
図７に示すように、出力側７１３は平らであり、入力側７１１に平行であり、側面７１１１，７１３は、レンズ１０３ａ，１０９ａと同様、導波路１０１ａ、及び、導波路１１１ａに垂直である。これは、フェース２１３が多面化され、レンズ１０９ａに角度が付けられ、導波路１１１ａが平行な出力のアレイを生成するのに必要な曲線を含む第１実施例とは対照をなす。
【００４３】
モジュール７００は、光偏向部１０５での偏向を補償し、平行化されたビームＩ’に平行なビームを生成する第２の光偏向部７０３を含む。具体的には、光偏向部７０３は、電極７０９により形成される光偏向素子７０３ａ、７０３ｃであって、電極２０７，２０８と協動して電気信号を供給する光偏向素子７０３ａ、７０３ｃを含む。電極７０９は、偏向されたビームＡ，Ｃの経路内にそれぞれある。ビームＢは偏向されないので、ビームＢの経路内には補償偏向素子が必要とならない。
【００４４】
光偏向素子７０３ａ、７０３ｃは、光偏向素子１０５ａを参照して上述したように、それぞれ、導波路７０１のＥＯ材料からなり電極７０９の部位を構成するプリズム７０５ｐ、７０７ｐを含む。ビームＡ，Ｃは、ビームＩ’に平行とされるのに固定の偏向量が必要とされるので、電極７０９に付与される電圧は、各光偏向素子７０３ａ、７０３ｃに対して固定される。
【００４５】
図８は、本発明の１×N光スイッチングモジュールの第３実施例８００の概略的な上面図である。モジュール８００は、入口側導波路部１０１に入力光信号を運ぶための入力ファイバＦ（ｉｎ）を受け入れる入力コネクタ８０１、及び、第１実施例のコリメート部１０３を有し、入力側８１１から出力側８１３まで延在するＥＯ材料の共通の導波路８０９を有し、光偏向部１０５を含む。モジュール８００は、また、Ｎ個のレンズ１０９ａを有する合焦部１０９、出口側導波路部１１１、及び、Ｎ個のファイバF（out,1）,．．．,F（out,N）まで取り付けるように適合される出力コネクタ８０３を含む。第1実施例と同様、各部位及び導波路１０１，１０３，１０５，１０７，１０９，１１１は、導波路コアを形成する中央部及び基板１０上の下側層３０１、及び、導波路の被覆層を共に形成する上側層３０３を含む。
【００４６】
図8に示すように、光偏向部１０５は、光偏向素子１０５ａを含み、共通の導波路８０９及び上部及び下部電極８１５から形成される。光偏向素子１０５ａは、第1のプリズム８０５ｐ及び第2のプリズム８０７ｐを含み、EO導波路８０９及び電極８１５の三角形部を含む。各プリズムペア８０５ｐ、８０７ｐは、第1実施例で述べたように同一電圧が供給され、従って、光偏向素子１０５ａを通る光ビームは、2回偏向され、即ち、先ずプリズムペア８０５ｐにより第1の量だけ、次いでプリズムペア８０７ｐにより更なる量だけ偏向される。複数のプリズムペアの動作は、米国特許第6,504,966号に詳説されている。
【００４７】
出力側８１３は、第1実施例と同様、導波路８０９を横断して伝播するN個のビームのそれぞれに直角なフェースを提供するように多面化される。N個のビームのそれぞれは、N個のレンズ１０９ａの１つの光軸に中心合わせされ、レンズ１０９ａのそれぞれは、Ｎ個の出力が平行なアレイとなるように必要に応じて湾曲する導波路１１１ａに光を供給する。
【００４８】
上述の実施例は、本発明を例示するものであり、上述した特定の実施例に本発明の範囲を限定することを意図したものでない。従って、本発明の一以上の実施例が図示及び説明されているが、種々の変更が本発明の精神や本質的な特徴から逸脱することなくなされうることは明らかであろう。例えば、本発明は基板の形成にシリコンの使用を説明しているが、ガラスやセラミックを含む他の材料が用いられてもよい。更に、光偏向素子は、本分野で一般的知られているように、光を偏向させる他の幾何形状を有することができ、ここで説明したような電気光学材料を用いて製造されうる。本発明の光偏向素子を含む光スイッチングモジュールは、入力チャンネルのいつか若しくは全てに関してかかる要素を含むことができ、又は、出力チャンネルの全てに関してかかる要素を含むか若しくはいずれにも含まないことができる。従って、ここでの開示及び説明は、例示的な意図であり、添付の特許請求の範囲に付与された本発明の範囲を限定しない。
【００４９】
ここで、以上の説明に関して更に以下の付記を開示する。
【００５０】
（付記１）光信号を受ける単一の光入力と、
電気光学材料と、該電気光学材料の両側に少なくとも1対の電極とを含み、複数の方向のうちの選択した１方向に光信号を方向付ける、制御システムに応答する能動偏向素子と、
複数の方向のうちの選択した１方向に偏向された光信号を受ける共通の導波路と、
前記複数の方向のうちの１方向にそれぞれ対応する各光出力が、前記複数の方向のうちの１方向に偏向され且つ前記共通の導波路を通って伝播される光信号を受ける受動光学素子を含む複数の光出力と、を含み、
前記複数の方向のうちの選択した１方向への前記光信号の偏向が、前記複数の光出力の対応する１光出力への該光信号のスイッチングをもたらすことを特徴とする、光スイッチ。
【００５１】
（付記２）前記複数の光出力は、3つ以上の光出力である、付記１に記載の光スイッチ。
【００５２】
（付記３）前記少なくとも1対の電極の各電極は、類似した形状であり、前記光信号の光路は、該少なくとも1対の電極の各電極間を通る、付記１に記載の光スイッチ。
【００５３】
（付記４）前記少なくとも1対の電極は、1対の電極である、付記３に記載の光スイッチ。
【００５４】
（付記５）前記少なくとも1対の電極は、2対の電極である、付記３に記載の光スイッチ。
【００５５】
（付記６）前記電気光学材料は、PZT、LZT又はLNである、付記１に記載の光スイッチ。
【００５６】
（付記７）前記共通の導波路は、前記複数の光出力のうちの1光出力の近傍にあり且つ前記複数の方向の各1方向に直角な小面を複数持つ多面を有する、付記１に記載の光スイッチ。
【００５７】
（付記８）前記共通の導波路は、複数の導波路方向の対応する1方向に前記偏向した光信号を伝播するものであり、
前記共通の導波路は、前記光信号が該共通の導波路を出るときに大きく屈折されないように、前記複数の光出力の近傍に、前記複数の導波路方向に略直角な1つの導波路出力を有する、付記１に記載の光スイッチ。
【００５８】
（付記９）前記受動光学素子のそれぞれは、レンズと出力導波路を含み、該受動光学素子は、前記出力導波路の入力及び導波路出力に対して直角な光軸を有する、付記１に記載の光スイッチ。
【００５９】
（付記１０）当該光スイッチは、
前記単一の光入力、前記共通の導波路及び前記複数の光出力を通る前記光信号の光路が通る材料が、前記能動偏向素子の電気光学材料を含むモノリシックスイッチである、付記１に記載の光スイッチ。
【００６０】
（付記１１）当該光スイッチは、
前記単一の光入力、前記共通の導波路及び前記複数の光出力を通る前記光信号の光路が通る材料が、前記能動偏向素子の電気光学材料と異なるハイブリッドスイッチである、付記１に記載の光スイッチ。
【００６１】
（付記１２）入力ファイバからの光信号を、複数の出力ファイバのうちの選択した１出力ファイバにスイッチングする光スイッチモジュールであって、
入力ファイバから光信号を受ける単一の光入力と、
前記複数の出力ファイバのうちの１出力ファイバにそれぞれ光学的に接続される複数の出力のうちの選択した１出力に、前記光信号を方向付ける光学素子とを備え、
前記光学素子が、
前記光信号を平行化するコリメーティング素子と、
電気光学材料と、該電気光学材料の両側に少なくとも1対の電極とを含み、前記並行化された光信号を受け、該光信号を、前記複数の出力のうちの１出力に対応する複数の方向のうちの１方向に偏向する、制御システムに応答する能動偏向素子と、
前記能動偏向素子により偏向された前記光信号を受ける導波路入力と、導波路出力とを有する共通の導波路と、
前記複数の出力のうちの選択した１出力へと前記共通の導波路からの光信号を合焦する受動光学素子を前記複数の出力に含む合焦素子と、を含む、
光スイッチモジュール。
【００６２】
（付記１３）前記複数の光出力は、3つ以上の光出力である、付記１２に記載の光スイッチモジュール。
【００６３】
（付記１４）前記少なくとも1対の電極の各電極は、類似した形状であり、前記光信号の光路は、該少なくとも1対の電極の各電極間を通る、付記１２に記載の光スイッチモジュール。
【００６４】
（付記１５）前記少なくとも1対の電極は、1対の電極である、付記１４に記載の光スイッチモジュール。
【００６５】
（付記１６）前記少なくとも1対の電極は、2対の電極である、付記１４に記載の光スイッチモジュール。
【００６６】
（付記１７）前記電気光学材料は、PZT、LZT又はLNである、付記１２に記載の光スイッチモジュール。
【００６７】
（付記１８）前記共通の導波路は、前記複数の光出力のうちの1光出力の近傍にあり且つ前記複数の方向の各1方向に直角な小面を複数持つ多面を有する、付記１２に記載の光スイッチモジュール。
【００６８】
（付記１９）前記共通の導波路は、複数の導波路方向の対応する1方向に前記偏向した光信号を伝播するものであり、
前記共通の導波路は、前記光信号が該共通の導波路を出るときに大きく屈折されないように、前記複数の光出力の近傍に、前記複数の導波路方向に略直角な1つの導波路出力を有する、付記１２に記載の光スイッチモジュール。
【００６９】
（付記２０）前記受動光学素子のそれぞれは、レンズと出力導波路を含み、該受動光学素子は、前記出力導波路の入力及び導波路出力に対して直角な光軸を有する、付記１２に記載の光スイッチモジュール。
【００７０】
（付記２１）当該光スイッチは、
前記単一の光入力、前記共通の導波路及び前記複数の光出力を通る前記光信号の光路が通る材料が、前記能動偏向素子の電気光学材料を含むモノリシックスイッチである、付記１２に記載の光スイッチモジュール。
【００７１】
（付記２２）当該光スイッチは、
前記単一の光入力、前記共通の導波路及び前記複数の光出力を通る前記光信号の光路が通る材料が、前記能動偏向素子の電気光学材料と異なるハイブリッドスイッチである、付記１２に記載の光スイッチモジュール。
【図面の簡単な説明】
【００７２】
【図１】本発明の１×N光スイッチングモジュール１００の一般的な実施例を示す概略図である。
【図２】本発明の１×N光スイッチの第1実施例の概略的な上面図である。
【図３】図２の側面視３−３である。
【図４】本発明の第1実施例の入口側導波路部、コリメート部、光偏向部及び光導波路を示す斜視図である。
【図５】光偏向部による光の偏向を示す概略的な斜視図である。
【図６】光偏向部による光の偏向を示す概略的な斜視図である。
【図７】本発明の１×N光スイッチングモジュールの第２実施例の概略的な上面図である。
【図８】本発明の１×N光スイッチングモジュールの第３実施例の概略的な上面図である。
【図９Ａ】第１実施例による光スイッチモジュールを製造する方法を示す断面図である。
【図９Ｂ】第１実施例による光スイッチモジュールを製造する方法を示す断面図である。
【図９Ｃ】第１実施例による光スイッチモジュールを製造する方法を示す断面図である。
【図９Ｄ】第１実施例による光スイッチモジュールを製造する方法を示す断面図である。
【図９Ｅ】第１実施例による光スイッチモジュールを製造する方法を示す断面図である。
【図９Ｆ】第１実施例による光スイッチモジュールを製造する方法を示す断面図である。
【符号の説明】
【００７３】
１００    １×N光スイッチングモジュール
１０１    入口側導波路部
１０３    コリメート部
１０５    光偏向部
１０７    コモン導波路
１０９    合焦部
１０９ａ    レンズ
１１１    出口側導波路部
１１１ａ    導波路
【図１】
2005222056.tif 000003
【図２】
2005222056.tif 000004
【図３】
2005222056.tif 000005
【図４】
2005222056.tif 000006
【図５】
2005222056.tif 000007
【図６】
2005222056.tif 000008
【図７】
2005222056.tif 000009
【図８】
2005222056.tif 000010
【図９Ａ】
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【図９Ｂ】
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【図９Ｃ】
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【図９Ｄ】
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【図９Ｅ】
2005222056.tif 000015
【図９Ｆ】
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